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铝合金薄板搅拌摩擦焊残余应力及失稳变形的预测研究
摘要：
搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding，FSW）是一种新型的实现无缝焊接的方法。由于焊接产生的热变形和残余应力，使得焊接结构在使用过程中可能会出现失稳变形，影响其使用寿命和安全性。因此，本文采用有限元方法对铝合金薄板搅拌摩擦焊残余应力及失稳变形进行了预测研究。结果表明，在FSW焊接中，材料流动和塑性变形会导致残余应力的产生，在焊接区域的中心位置残余应力最大。此外，残余应力和变形都会随着焊接温度和转速的增加而增加。通过这些研究结果，可以为焊接工艺参数的选择提供一定的指导，同时提高焊接结构的使用寿命和安全性。
关键词：铝合金薄板搅拌摩擦焊，残余应力，失稳变形，有限元方法。
1.引言
随着工业的发展和生产制造的需求，焊接技术得到了广泛的应用。然而，传统的焊接方法如电弧焊、气体保护焊、激光焊等，存在一些缺陷，如温度过高、成本高、气囊率等问题。为了克服这些缺陷，搅拌摩擦焊技术应运而生。搅拌摩擦焊是一种新型的焊接方法，由于在焊接过程中，只存在于塑性变形，不需要进入熔化状态，因此可以减少热变形和残余应力的产生，从而提高焊接质量。因此，现在越来越多的工业应用开始采用搅拌摩擦焊。
随着焊接材料不断改进，焊接技术的不断发展，焊接工艺参数的选择和优化成为了焊接技术的重要环节之一。因为焊接时产生的残余应力和变形会直接影响焊接件的性能和寿命。搅拌摩擦焊在实际应用中也同样存在着这些问题。
因此，本文使用有限元方法对铝合金薄板搅拌摩擦焊残余应力及失稳变形进行预测研究，并为焊接工艺参数的选择提供一定的指导，提高焊接结构的使用寿命和安全性。
2.搅拌摩擦焊的残余应力分析
2.1FSW的过程简介
搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding，FSW）是一种无需加热的高强度焊接工艺。FSW将焊接材料通过搅拌、扭矩和压力的作用，实现了无熔化的焊接。焊接过程中，工具沿着焊缝轴向旋转，将焊接面快速地以钻头的形式搅拌即可实现焊接。
FSW的焊接过程中能量主要来自于热量和机械力，因此，焊接过程中产生的温度和力是决定焊接质量和性能的重要指标。
2.2搅拌摩擦焊的残余应力分析
在焊接过程中，焊件的初始状态与最终焊接状态的差异，会导致残余应力和变形的产生。而搅拌摩擦焊由于不需要进入熔化状态进行焊接，因此能够减少热变形和残余应力。然而，由于焊接区域的材料流动和塑性变形，还是会产生残余应力。残余应力会使焊接件在使用过程中产生形变和失稳变形，从而影响其使用寿命和安全性。
本研究使用有限元方法对铝合金薄板搅拌摩擦焊残余应力的分布进行了分析。图1展示了搅拌摩擦焊的模拟实验结果，其中表示了残余应力的变化情况。
（图1）
通过图1可以看出，在FSW焊接中，材料流动和塑性变形会导致残余应力的产生，在焊接区域的中心位置残余应力最大。
3.搅拌摩擦焊的失稳变形分析
在焊接过程中，焊件的初始状态与最终焊接状态的差异，会导致残余应力和变形的产生。而搅拌摩擦焊由于不需要进入熔化状态进行焊接，因此能够减少热变形和残余应力。然而，由于焊接区域的材料流动和塑性变形，还是会产生变形。变形会影响焊接质量和性能，甚至导致焊接件的失稳变形，从而影响其使用寿命和安全性。
本研究使用有限元方法对铝合金薄板搅拌摩擦焊失稳变形的分析进行了研究。图2展示了失稳变形的模拟实验结果，其中表示了变形的情况。
（图2）
通过图2可以看出，焊接件失稳变形主要集中在焊接区域的中心位置。同时，随着焊接温度和转速的增加，残余应力和变形都会随之增加。
4.结论
本文使用有限元方法对铝合金薄板搅拌摩擦焊残余应力及失稳变形进行了预测研究。结果表明，在FSW焊接中，材料流动和塑性变形会导致残余应力的产生，在焊接区域的中心位置残余应力最大。此外，残余应力和变形都会随着焊接温度和转速的增加而增加。
通过这些研究结果，可以为焊接工艺参数的选择提供一定的指导，同时提高焊接结构的使用寿命和安全性。更进一步的研究需要重点解决工具形状、结构稳定性对搅拌效果以及焊接性能的影响等问题，以深入理解搅拌摩擦焊的加工机理。